文/梁銘炬

眼動特征及人眼注視方向映射模型是視線跟蹤技術(shù)的關(guān)鍵問題，目前這方面已經(jīng)開展了一些有意義的研究,例如Morimoto等利用二次多項式方程來關(guān)聯(lián)瞳孔移動矢量和眼睛注視點，此方法只適合于佩戴式設(shè)備。A.sugioka結(jié)合普爾欽斑點法并考慮頭動影響以解決視線方向的映射難題，難以應(yīng)用于實際；T.ohno提出頭部自由的人眼注視方向識別算法，用三個攝像機來獲得眼睛的三維坐標(biāo)，算法復(fù)雜耗時。

本文提出基于2D-DCT 及EHMM的眼動狀態(tài)識別方法。首先利用2D-DCT變換提取眼睛的低頻信號組成觀察序列，采用EHMM模型訓(xùn)練眼動狀態(tài)觀察序列，得到判別眼動狀態(tài)的分類器，最后利用該分類器對眼睛實時狀態(tài)進行檢驗和分析就可以得到視線方向。

1 EHMM模型

嵌入式隱馬爾科夫模型(EHMM)是多維HMM（Hidden Markov Model）模型，EHMM包含一個主狀態(tài)序列，每個主序列包含一組嵌入狀態(tài)序列，主序列用于建模二維數(shù)據(jù)，而嵌入狀態(tài)序列則用于建模一維數(shù)據(jù)，因此EHMM是二維的HMM模型，訓(xùn)練及識別的效率更高，其初始模型參數(shù)估計值更準(zhǔn)確。

2 二維離散余弦變換（2D-DCT）

EHMM在圖像處理的應(yīng)用上存在一定的缺陷，假如一幅眼睛灰度圖片為90x60的像素大小，按照其原理（X=3，Y=4）所對應(yīng)的子HMM觀察序列大小約為22x15，對應(yīng)的觀察序列就有256330種不同序列，無論是在訓(xùn)練模型以及應(yīng)用模型，都會產(chǎn)生天文級的計算量，因此本文利用2D-DCT對眼睛灰度圖片進行像素壓縮，提取其低頻特征序列作為觀察序列，以減少EHMM模型的復(fù)雜度和計算量。

3 基于EHMM的視線方向識別模型

3.1 視線方向識別的EHMM模型訓(xùn)練

通過EHMM模型訓(xùn)練確定眼動狀態(tài)對應(yīng)的EHMM模型序列，每組序列參數(shù)用多幅不同使用者的不同亮度、不同姿態(tài)的圖片，按照以下步驟進行訓(xùn)練：

表1：準(zhǔn)確率實驗結(jié)果列表

圖1：不同方向視線的人眼圖像的2D-DCT變換圖像

（1）對圖像進行灰度歸一化預(yù)處理。

（2）對圖像進行2D-DCT變換，構(gòu)建其低頻觀察序列。

（3）設(shè)定EHMM的主狀態(tài)序列為3和其子嵌入狀態(tài)序列為4，通過Viterbi算法，對人眼圖像進行分割。

（4）以Baum-welch算法進行模型參數(shù)重估訓(xùn)練，重復(fù)多次此步驟得到收斂的EHMM模型。

3.2 視線方向識別的EHMM模型應(yīng)用

進行視線方向識別的時候，首先通過2D-DCT變換獲取眼動圖像的低頻觀察序列，通過各個訓(xùn)練模型獲取眼動狀態(tài)的似然值，對應(yīng)的眼動狀態(tài)具有最大似然值，公式（1）表示如下：

4 實驗結(jié)果分析

4.1 2D-DCT變換結(jié)果分析

根據(jù)設(shè)計的EHMM模型構(gòu)造（3個主狀態(tài)序列，4個子嵌入狀態(tài)序列，(4，4，4)共12個隱馬爾可夫模型狀態(tài)）進行人眼圖像2D-DCT變化及劃分為圖像塊，形成觀察向量序列如圖1所示。

4.2 EHMM模型的結(jié)果分析

本實驗采集20人在不同姿態(tài)和不同的光照下的2000多幅圖片進行2D-DCT變換數(shù)據(jù)提取及EHMM訓(xùn)練。對2D-DCT變換的數(shù)據(jù)進行分析，然后對另外采集圖像進行實驗驗證。本論文采用多種方法驗證對視線方向識別的可行性，如HMM算法、普爾欽斑點法，從結(jié)果（表1所示）可以看出EHMM具有更高準(zhǔn)確率。

5 總結(jié)

本文創(chuàng)新地提出將EHMM的模式識別方法應(yīng)用于視線跟蹤技術(shù)，在準(zhǔn)確率上有理想效果，通過處理人眼的圖像，尋找不同視線方向的人眼圖像的2D-DCT特征，通過訓(xùn)練得到基于EHMM的人眼注視方向分類器，來檢測和判斷出人眼視線注視方向。通過對各種外界情況下拍攝的眼動圖片進行視線方向識別的準(zhǔn)確率來看，本方法檢測眼睛注視方向的精度高、穩(wěn)定性好、魯棒性強，同時無需任何標(biāo)定過程及設(shè)計個體使用者的參數(shù)，經(jīng)簡單訓(xùn)練過程，得到的視線方向識模型別即可用于普通人群，適用于實際應(yīng)用領(lǐng)域。